2通信射频电路-收发系统结构解析

第二章无线通信收发系统结构(书中第四章)电子科技大学游长江无线通信系统基本模型信源发信机收信机信宿信道媒介干扰噪声信道机发射端接收端无线发信系统基本结构无线收信系统基本结构调制中放/变频功放模拟电路（RF）待发基带信号(BB)发射天线解调中放/变频放大/选频模拟电路（RF）输出基带信号(BB)接收天线•无线通信系统基本模型4.1概述通信机基本结构射频级基本结构发射部分接收部分天线公用器本章主要内容：介绍发送、接收机的结构方案主要指标②完成基带信号对载波的调制通带信号（已调波）③将通带信号搬移到所需的频段上变频④放大到足够的功率并发射⑤不干扰相邻信道限制频带主要指标：频谱、功率、效率射频发射机的基本组成及完成功能：①产生正弦载波射频接收机的基本组成及完成的功能①从众多的电波中选出有用信号选频、滤除干扰②将微弱信号放大到解调器所要求的电平值放大③将通带信号变为基带信号解调接收机的主要指标：灵敏度、选择性设计接收机和发射机的射频部分时应解决的关键问题①选用合适的调制和解调方式抗干扰性能好、频带利用率高、功率有效性好②接收机选出有用信道抑制干扰难点——已调信号载频高、信道窄③接收机的灵敏度和线性动态范围④发射机的高效率不失真的功率放大器⑤限制发射信号对相邻信道的干扰⑥天线收发转换器的损耗小，隔离性好4.2.1超外差式接收机变频器功能：将接收到的射频不失真的降低为一个固定的中频IFIF关键部件：下变频器变频特点：①频率降低②频谱结构不变4.2接收机方案1.单次变频超外差接收机方案（1）为了解决选择性结果：射频段选择信道非常困难要求滤波器Q值极高上行频带:890~915MHz（移动台发、基站收）下行频带:935~960MHz（移动台收、基站发）每个信道:200KHzGSM通信系统特点：信道带宽远比载频小射频段选择频带降为中频、选择信道措施：降低频率选信道为什么要将接收到的射频频率降低？两个概念频带信道（2）为使接收机达稳定的高增益天线输入电平约为-100~-120dBm（级）V解调器输入一般要求约500mV要求增益大于100dB以上总增益＝射频增益＋混频增益＋中频增益结果：①增益分散在各频段，易稳定②中频频率低且固定，增益易大而稳定（主要增益级）（3）在较低的固定中频上解调或A/D变换也相对容易超外差接收机各级功能低噪声放大器——射频放大变频器——频谱搬移中频模块——选信道、主增益级LORFLORF0IF基本实现方法变频功能——频谱搬移超外差接收机的主要缺点——变频器引入众多的组合频率干扰产生众多组合频率的原因？滤波器不理想非线性器件不是理想平方律特性产生组合频率RFLOqP非线性器件滤波器LORF0IFLORFIFpqF组合频率当小于中频带宽时，通过滤波器输出F变频器引起的寄生通道干扰非线性器件滤波器LORF0IF②当输入端伴有干扰信号时①输入端没有其它干扰信号11cosmVt22cosmVt组合频率通过滤波器输出IFLO)2(21三阶互调干扰镜像频率干扰——重要的寄生通道干扰什么是镜像频率？后果如何？前端滤波器滤除消除镜像频率干扰的方法：不让镜频信号进入变频器滤波器实现难点？射频滤波器通带做不窄解决方法:提高中频高中频和低中频的利弊高中频——镜像频率远离有用信号，滤波容易优点：利于抗镜频干扰低中频——相同Q值条件下，中频滤波器窄带优点：利于选择信道、稳定的高增益两者兼顾最佳方案——超外差式二次混频方案选择中频兼顾两者例1：GSM下行频段935-960MHz，若选fIF=10MHz，试确定本振频率及干扰镜频范围。945~9702955~980LORFIFimRFIFfffMHzfffMHz低本振情况925~9502915~940LORFIFimRFIFfffMHzfffMHz解：高本振情况fRF位于频段低端，fim位于频段内高端，fLO位于频段内。fRF位于频段高端，fim位于频段内低端，fLO位于频段内。从上可见,若选择fIF=10MHz,无论选择高本振或低本振时,fim都位于有用信道之内,无法用BPF1滤掉,成为干扰信号。若增大fIF至70MHz，则采用高本振或低本振，镜频都不会进入通信频段，故可用BPF1滤除掉,从而消除镜频干扰。3.二次变频超外差接收机方案中频选择原则II中频采用低中频值，利于提取有用信道抑制邻道干扰I中频采用高中频值，以提高镜象频率抗拒比三个滤波器的功能、中心频率与带宽射频滤波器I中频滤波器II中频滤波器总增益＝低噪放增益＋I中频增益＋II中频增益（主要增益级）二次变频超外差接收机实例881RFfMHz145IFfMHz2455IFfKHz188145926LOfMHz2450.45544.545LOfMHz4.2.2直接下变频方案（零中频方案）方案特点：中频为0IFLORF0IF方案优点：①不存在镜像频率，无镜频信号干扰②可用低通滤波器选择信道③易解决匹配、线性动态范围等问题直接下变频方案存在的问题1.本振泄露关键原因:本振频率与信号频率相同2.LNA偶次谐波失真干扰两个频率相近的干扰非线性的偶次项引起的差频0漏过、形成干扰3.直流偏差①由本振泄漏引起的直流偏差②强干扰的自混频引起的直流偏差4.噪声影响f1（1）信道间隔离度差(频率窜透)ωRF=ωLO，大功率本振信号向天线端窜透，对附近邻信道通信造成干扰;混频器各端口信号间相互窜透-自混频,造成输出信号直流漂移。零中频(直接下变频)接收机缺点（2）要求ωLO与ωRF同频，且彼此之间的相位关系固定，从而需要载波提取与锁相同步。（3）混频器应有较高的线性度。（4）端口间隔离度要求高。一种改进方案(宽带零中频接收机)借鉴二次外差式接收机抑制干扰能力强的特点，对零中频接收方案的改进,应用AFG（本振自锁相）克服了直流漂移问题。BPFLNA本振2(LO2)π/2LPFLPFADCADC本振1(LO1)LPF另一种改进方案-低中频接收机LNA本振(LO)BPF(2)LFAmpBPF(3)解调BPF(1)RF0IFRFLOLO4.2.3镜频抑制接收方案tVtvRFRFRFcos)(tVtvimimimcos)(()sin()sin()22imRFALORFLOimVVvttt()cos()cos()22imRFBLORFLOimVVvttt)cos()()()(RFLORFBCIFVtvtvtv特点：利用电路结构形式改变,抑制镜像频率干扰输出抑制了镜像频率实现镜频抑制的设计要求利用带通信号移相π/2(Hilbert变换的正交滤波)特性,实现镜频抑制。（1）两条变频支路特性完全一致(信号幅度、时延特性等);（2）两条变频支路输出信号精确正交。实现两条变频支路输出信号的精确正交,要求两条支路的电性能完全一致性,硬件实现较困难！4.2.4数字中频方案特点：将第二次混频和滤波数字化优点：可避免I/Q两路的不一致难点：对A/D变换器要求很高转换速度高、较高的分辨率和较小的噪声、线性度很高、要求有较大的动态范围。•数字中频中频接收机设计要点A.注意ADC性能（1）为抑制镜频干扰，则中频较高，要求ADC采样频率(速度)也很高;（2）ADC应有较高的分辨率（bit数大）和低的转换噪声;（3）ADC线性度要求高;（4）ADC应有较大的动态范围;（5）ADC模拟带宽应满足第一中频的要求。B.注意DSP芯片性能（1）运算速度;（2）运算字长;（3）稳定性等。改进方案__全数字接收机(软件无线电接收机)BPFLNA本振-п/2BPFBPFADCADCADCDSPChipAGC电路接收机接收的信号电平起伏很大，为得到稳定的中频输出，接收机前端中都有AGC(AutomaticGainControl)电路。LNA变频中放幅度检测解调控制电路中放输出信号经幅度检测后与设定门限相比较，高过门限值控制放大器降低增益；反之，则控制放大器提高增益,从而保障输出中频信号幅度基本恒定。AFC电路中放输出经鉴频器将偏离中频的频差转换为电压，然后去控制本振频率减小差值，使中频频率恒定。有利于减小中频带宽，提高灵敏度与选择性;对零中频接收机则可减小DC漂移的影响。AFC现在多为PLL所取代。中放解调VCOLPF/放大鉴频器接收机接收的信号频率随时间变化，为得到稳定的恒定中频信号，接收机前端中有AFC(AutomaticFrequencyControl)电路。4.3发射机方案1.直接变换法本振缺点:发射频率＝本振频率，发射的强信号会影响本振源调制和上变频合一在发射频率上调制改进sincos2.二次变频法优点:较低频率处调制容易，正交两支路易一致缺点：对上变频滤波器要求高特点:在较低的频率上调制，再上变频到发射频率4.4无线发射接收机的性能指标GSM系统的主要性能（1）发射频率：移动台发送890~915MHZ基站发送935~960MHZ（6）信道比特率：42kbps（2）双工间隔：45MHZ（3）载波信道间隔：200KHZ（4）多址方式：时分多址（TDMA）/频分多址（FDMA）（5）调制方式：最小偏移调制（GMSK）1.发信机技术指标（1）平均载频功率（2）发信载频包络（3）射频功率控制（4）射频输出频谱（5）杂散辐射相对载波功率（dB）允许的最大电平调制谱性能相对载频的偏移（KHZ）瞬态频谱性能相对载频的偏移（KHZ）100200250400600~180040060012001800+0.5–30–33–54–54–23dBm–26dBm–32dBm–36dBm9KHZ~1GHZ1~12.75GHZ935~960MHZ250nW（–36dBm）1W（–30dBm）4PW（–84dBm）例：移动台0.8W（29dBm）（6）互调衰减（7）相位误差一个时隙内，相位误差的方均根应不大于5，峰值小于20（8）频率精度0.1ppm（110–7）2.接收机指标（1）灵敏度（2）阻塞和杂散响应抑制（3）互调响应抑制（4）邻道干扰抑制（5）杂散辐射（1）灵敏度：静态–102dBm，BER10–5（仅列举一个数据）（2）阻塞：113dBV（3）互调特性：70dBV（–43dBm）（4）杂散抑制：70dBV（5）杂散发射：9KHZ~1GHZ≤20nW（–57dBm）1~12.75GHZ≤20nW（–47dBm）3.系统指标分配与计算电路设计前，必须进行的三个方面的工作依据:通信环境﹑通信距离﹑工作频段﹑调制方式等一系列因素a.合理确定接收机﹑发射机的整机指标b.将系统指标分配到各个单元模块，定出单元模块合理的指标值分配原则:①根据各部件的物理可实现性，②根据每个部件的指标对整机的影响c.在选定了各模块的集成电路芯片后，根据这些已定器件的指标验证整机的指标性能是否合格RF电路集成化是当今技术发展的趋势和应用要求。任何基本电路（如放大器、混频器等）当确定其性能优良和可靠，便很快有集成化产品诞生。全球每天都有成百上千的新型RFIC问世，并迅速应用于移动通信等广阔市场。4.5集成化无线通信收/发系统MC3363集成FM接收机芯片MC3363集成FM接收机芯片内部结构1个LNA、2个混频器、多级放大器、比较器、2个本振、解调器、静噪电路等。LNA工作到450MHz(VHF频段);12dB输出信噪比时，输入灵敏度为0.3uV;60dBAGC。MC3363集成FM接收机芯片功能MC3363集成FM接收机芯片应用1MC3363集成FM接收机芯片应用24.6无线通信收发机(系统)性能及链路指标计算请同学们自修教材P154-160内容!习题pp160-1614.4,4.5,4.9,4.10